Naukowcy przekształcili żywe komórki żab w światowego pierwszego żywego robota

W tym, co jest godne uwagi połączeniem życia biologicznego i robotyki, zespół naukowców przekształcił żywe komórki żab i wykorzystał je do opracowania “xenobotów”. Komórki pochodziły z zarodków żab, a xenoboty mają tylko milimetr szerokości. Są one w stanie poruszać się w kierunku celu, możliwe jest również podniesienie ładunku, takiego jak lekarstwo do wnętrza ludzkiego ciała, oraz samouzdrawianie po przecięciu lub uszkodzeniu.

“Są to nowe żywe maszyny”, według Joshui Bongarda, specjalisty od komputerów i robotyki na Uniwersytecie w Vermont, który współprowadził nowe badania. “Nie są to tradycyjne roboty, ani znane gatunki zwierząt. Jest to nowa klasa artefaktów: żywa, programowalna organizacja.”

Naukowcy zaprojektowali boty na superkomputerze na Uniwersytecie w Vermont, a grupa biologów na Uniwersytecie Tufts zebrała i przetestowała je.

“Możemy wyobrazić sobie wiele przydatnych zastosowań tych żywych robotów, których inne maszyny nie mogą wykonać”, mówi współlider Michael Levin, który kieruje Centrum Regeneracji i Biologii Rozwojowej na Tufts, “jak wyszukiwanie nieprzyjemnych związków lub radioaktywnego zanieczyszczenia, gromadzenie mikroplastiku w oceanach, podróżowanie w tętnicach, aby usunąć płytkę nazębną.”

Badania zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences 13 stycznia.

Zgodnie z zespołem, jest to pierwszy raz, kiedy badania “projektują całkowicie biologiczne maszyny od podstaw”.

Wymagało to miesięcy czasu przetwarzania na klastrze superkomputera Deep Green w Vermont Advanced Computing Core. Zespół obejmował głównego autora i doktoranta Sama Kriegmana, a zespół opierał się na algorytmie ewolucyjnym, aby opracować tysiące różnych projektów nowych form życia.

Gdy komputer otrzymał polecenie wykonania zadania podanego przez naukowców, takiego jak lokomocja w jednym kierunku, ciągle ponownie składał kilkaset symulowanych komórek w różne formy i kształty ciała. Podczas gdy programy były uruchamiane, najbardziej udane symulowane organizmy były zachowywane i udoskonalane. Algorytm działał niezależnie sto razy, a najlepsze projekty zostały wybrane do testowania.

Zespół w Tufts, pod przewodnictwem Levina i z pomocą mikrochirurga Douglasa Blackistona, podjął się projektu. Przeniesiono projekty do następnego etapu, który był życiem. Zespół zebrał komórki macierzyste, które zostały pozyskane z zarodków afrykańskich żab, gatunku Xenopus laevis. Poszczególne komórki zostały oddzielone i pozostawione do inkubacji. Zespół użył małych szczypiec i elektrody, aby przyciąć komórki i połączyć je pod mikroskopem w projekty stworzone przez komputer.

Komórki zostały złożone w nowe formy ciała i zaczęły współpracować. Komórki skórne rozwinęły się w bardziej bierną budowę, a komórki mięśnia sercowego były odpowiedzialne za tworzenie uporządkowanego ruchu do przodu, zgodnie z projektem komputera. Roboty były w stanie poruszać się samodzielnie dzięki spontanicznym, samoorganizującym się wzorom.

Organizmy były w stanie poruszać się w spójny sposób i przetrwały dni lub tygodnie, eksplorując swoje wodne środowisko. Opierały się na magazynach energii zarodkowej, ale awaryjnie, gdy zostały przewrócone na plecy.

“Jest to krok w kierunku wykorzystania komputerowo zaprojektowanych organizmów do inteligentnej dostawy leków”, mówi Bongard, profesor w Departamencie Informatyki i Centrum Złożonych Systemów na UVM.

Ponieważ xenoboty są żywymi technologiami, mają pewne zalety.

“Wada żywej tkanki jest taka, że jest słaba i ulega degradacji”, mówi Bongard. “Dlatego używamy stali. Ale organizmy mają 4,5 miliarda lat praktyki w regenerowaniu się i funkcjonowaniu przez dziesięciolecia. Te xenoboty są w pełni biodegradowalne”, kontynuuje. “Gdy wykonają swoją pracę po siedmiu dniach, są po prostu martwymi komórkami skóry.”

Te rozwoje będą miały duże implikacje dla przyszłości.

“Jeśli ludzkość ma przetrwać w przyszłości, musimy lepiej zrozumieć, jak złożone właściwości, w jakiś sposób, wynikają z prostych reguł”, mówi Levin. “Większość nauki koncentruje się na kontrolowaniu reguł na niskim poziomie. Musimy również zrozumieć reguły na wysokim poziomie. Jeśli chcielibyśmy kopca mrówek z dwoma kominami zamiast jednego, jak modyfikujemy mrówki? Nie mielibyśmy pojęcia”.

“Myślę, że jest to absolutna konieczność dla społeczeństwa, aby uzyskać lepszy uchwyt na systemy, w których wynik jest bardzo złożony. Pierwszym krokiem w tym kierunku jest zbadanie: jak żywe systemy decydują o ogólnym zachowaniu i jak modyfikujemy elementy, aby uzyskać pożądane zachowania?”

“To badanie jest bezpośrednim wkładem w uzyskanie uchwytu na to, czego ludzie boją się, czyli niezamierzonych konsekwencji, czy to w przypadku szybkiego pojawienia się samochodów bez kierowcy, zmiany napędów genowych, aby wyeliminować całe linie wirusów, czy wielu innych złożonych i autonomicznych systemów, które będą coraz bardziej kształtować ludzkie doświadczenie”.

“Istnieje cała ta wrodzona kreatywność w życiu”, mówi Josh Bongard z UVM. “Chcemy ją lepiej zrozumieć – i jak możemy ją kierować i popychać w kierunku nowych form”.